Все акулы, независимо от форм и размеров, следуют одному многовековому правилу: о чем речь

Несмотря на различия в формах и размерах, все акулы сталкиваются с одной и той же фундаментальной проблемой: как эффективно доставлять кислород, тепло и питательные вещества в каждую часть своего тела. В новом исследовании ученые выяснили, как они это делают. Об этом говорится в журнале Royal Society Open Science, пишет The Conversation.

Новое исследование обнаружило, что акулы следуют многовековому математическому правилу — закону масштабирования двух третей — который предсказывает, как форма тела меняется с размером. Это рассказывает о том, как работает эволюция и почему размер действительно имеет значение.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Что такое закон масштабирования двух третей?

Основная идея математическая: площадь поверхности увеличивается пропорционально квадрату длины тела, а объем увеличивается пропорционально кубу. Простыми словами, площадь поверхности увеличивается медленнее, чем объем, а соотношение между ними — решающее для многих биологических функций — уменьшается с размером.

Это важно, поскольку многие важные жизненные процессы происходят на поверхности: газообмен в легких или жабрах, например, для поглощения кислорода или выделения углекислого газа, а также потеря тепла через кожу и поглощение питательных веществ в кишечнике.

Эти процессы зависят от площади поверхности, в то время как требования, которые они должны выполнять, например, важнейшая задача обеспечения организма кислородом, зависят от объема. В результате соотношение площади поверхности к объему определяет то, как именно функционируют животные. Любопытно, что это правило, несмотря на свою центральную роль в биологии, было тщательно проверено лишь на клетках, тканях и небольших организмах, например, насекомых. Но все изменилось.

Почему акулы выбрали акул?

Акулы могут показаться не очевидными претендентами для проверки старой математической теории, но на самом деле они идеальны.

Во-первых, эта группа животных охватывает огромный диапазон размеров. Во-вторых, акулы отличаются невероятным разнообразием форм и образов жизни. Кроме того, акулы харизматичны, экологически важны и все больше находятся под угрозой. Понимание их биологии имеет как научную ценность, так и важное значение для сохранения.

Проверка старой математической теории

В ходе исследования ученые использовали 3D-модели высокого разрешения для цифрового измерения площади поверхности и объема у 54 видов акул. Отметим, что модели были созданы с использованием открытых КТ-сканов и фотограмметрии — до недавнего времени эти методы были областью дизайнеров видеоигр и художников по спецэффектам, а не биологов.

Ученые усовершенствовали модели в Blender, мощном программном инструменте для 3D-графики, и извлекли данные о поверхности и объеме для каждого вида. Далее команда применила филогенетическую регрессию — статистический метод, учитывающий общую эволюционную историю. Это помогло ученым увидеть, насколько точно формы акул следуют прогнозам правила двух третей.

Результаты оказались поразительными: оказалось, что акулы следуют правилу масштабирования двух третей почти идеально, с масштабированием площади поверхности к объему тела, возведенному в степень 0,64 — всего 3% разницы с теоретическим 0,67. Данные указывают на то, что происходит нечто более глубокое: несмотря на обилие размеров, форм и мест обитания акулы, похоже, следуют одному и тому же древнему математическому правилу.

По мнению исследователей, одно из объяснений заключается в том, что ограничения того, как животные растут и формируются в раннем возрасте, затрудняют и делают слишком затратным для акул отклонение от этого математического правила. Ученые считают, что изменение соотношения площади поверхности к объему может потребовать перестройки распределения тканей во время эмбрионального развития, чего эволюция, по-видимому, избегает, если только это не является абсолютно необходимым.